KR101862131B1 - Fbg 센서를 이용한 모션 캡쳐 장치 - Google Patents

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Abstract

모션 캡쳐 장치는, 가요성의 몸체와, 상기 몸체의 내부에 삽입된 FBG(Fiber bragg gratings) 센서로 이루어진 모션 센서와, 상기 모션 센서를 사용자의 신체에 고정하는 고정구와, 상기 모션 센서에 빛을 조사하는 광원과, 상기 모션 센서로부터 출력되는 반사광을 분석하는 계측기를 포함하고, 상기 FBG 센서는 상기 몸체의 길이방향을 따라 연장되는 광섬유와, 상기 광섬유의 일부 영역에 형성되며 복수의 격자를 포함하는 센싱부를 포함하고, 사용자의 동작에 따른 상기 격자 간의 간격 변화로 인해 발생되는 반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여, 사용자의 동작 상태를 측정한다.

Description

FBG 센서를 이용한 모션 캡쳐 장치{Motion capture system using a FBG sensor}
본 발명은 모션 캡쳐 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 FBG 센서를 이용한 빛의 파장 스팩트럼 분석을 통해 사용자의 동작 상태를 측정하는 모션 캡쳐 장치에 관한 것이다.
모션 캡쳐(motion capture)는 신체에 센서를 부착하거나, 카메라를 이용하는 등의 방법으로 신체의 움직임을 디지털 형태로 기록하는 작업을 말한다.
디지털 형태로 기록된 신체의 움직임은 실감교류 시스템에서 가상의 아바타의 움직임이나, 인간형 슬레이브 로봇의 움직임을 제어하기 위한 제어값으로 이용될 수 있다.
대표적인 모션 캡쳐 기법으로는 복수의 카메라를 이용해 대상을 촬영하고 복수의 카메라의 촬영 결과를 정합하는 기법이나, 광학식 마커를 신체에 부착하고 카메라로 촬영하는 기법 등 카메라를 이용한 기법들이 있다.
하지만, 이러한 카메라 이용 기법들은 카메라 설치를 위한 공간의 제약이 있고, 부분적으로 카메라가 촬영할 수 없는 음영지역이 발생할 가능성이 있어, 정확한 모션 캡쳐가 어렵다.
또한, 손과 같이 여러 관절이 조합되어 정교한 움직임을 이루는 신체 기관의 움직임은 정확하게 캡쳐하기가 어렵다.
따라서, 만약 하나의 가상 공간 안에서 서로 다른 사용자가 제어하는 두 아바타가 서로 악수를 하는 동작과 같이, 서로의 손의 각도 및 위치가 정확히 맞아야 하는 매우 정교한 동작의 제어는 종래의 모션 캡쳐 기법으로는 거의 불가능하다.
이러한 점을 보완하기 위해, 관절로 연결되는 마디에 관성(IMU) 센서를 부착하고, 관성 센서 측정 값을 통해 관절의 각도 등을 계산하여 신체의 움직임을 복원하는 모션 캡쳐 기법이 고안되고 있다.
하지만, 관성 센서를 이용한 모션 캡쳐 방법에 의하더라도 관성 센서의 수, 종류, 크기 및 측정 위치 등의 문제로 손과 같이 작고 정교한 관절의 움직임을 캡쳐하는데는 여전한 한계점을 가진다.
또한, 전자식 관성 센서 사용으로 인해, 센서를 장시간 사용하면서 발생하는 오차로 소위 "드리프트(Drift) 현상"이 발생하여, 장시간 사용이 어렵다.
한국 공개특허 제10-2006-0061564호
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 공간의 제약 및 측정의 사각 지역 없이 전신에 대한 모션 캡처가 가능하고, 장시간 사용에 따른 오차 누적이 없으며, 높은 자유도를 가지는 신체의 복잡하고 정교한 신체의 움직임을 캡쳐할 수 있는 모션 캡쳐 장비를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 가요성의 몸체와, 상기 몸체의 내부에 삽입된 FBG(Fiber bragg gratings) 센서로 이루어진 모션 센서와, 상기 모션 센서를 사용자의 신체에 고정하는 고정구와, 상기 모션 센서에 빛을 조사하는 광원과, 상기 모션 센서로부터 출력되는 반사광을 분석하는 계측기를 포함하고, 상기 FBG 센서는 상기 몸체의 길이방향을 따라 연장되는 광섬유와, 상기 광섬유의 일부 영역에 형성되며 복수의 격자를 포함하는 센싱부를 포함하고, 사용자의 동작에 따른 상기 격자 간의 간격 변화로 인해 발생되는 반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여, 사용자의 동작 상태를 측정하는 모션 캡쳐 장치가 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 모션 센서는, 상기 센싱부가 사용자의 관절에 걸치도록 배치되고, 상기 모션 센서는, 상기 파장 스펙트럼의 변화를 통해 상기 관절의 굽힘 각도를 산출할 수 있는 각도 검출용 센서를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 모션 센서는, 상기 파장 스펙트럼의 변화를 통해 신체의 굽힘 각도, 굽힘 방향 및 회전 방향을 산출할 수 있는 각도/방향 검출용 센서를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 각도 검출용 센서의 센싱부는, 일 방향으로의 굽힘 동작만이 가능한 1 자유도 관절에 배치된다.
일 실시예에 따르면, 상기 센싱부는 격자가 n개(n≥2, 자연수)씩 짝을 이루어 배치되는 복수의 격자 노드를 포함하고, 하나의 격자 노드는 n개의 격자가 서로 동일 간격으로 배치되고, 각 격자 노드의 격자들 간의 간격은 격자 노드마다 서로 상이하게 형성된다.
일 실시예에 따르면, 상기 각도 검출용 센서는, 복수의 FBG 센서를 포함하고, 상기 복수의 FBG 센서의 길이 방향 중심축은 상기 몸체의 길이 방향 중심축과 이격되어 배치되고, 상기 각도 검출용 센서의 길이 방향을 따르는 각 FBG 센서의 격자 노드들의 위치가 서로 중첩되지 않는다.
일 실시예에 따르면, 상기 몸체는 길이방향에서 보았을 때 사각형 단면을 가진다.
일 실시예에 따르면, 상기 각도/방향 검출용 센서의 센싱부는, 일 방향으로 굽힘 동작만이 가능한 1 자유도 관절 또는 복수의 방향으로의 굽힘 동작 가능한 다자유도 관절 또는 관절을 중심으로 회전 동작 가능한 신체 부위에 배치된다.
일 실시예에 따르면, 상기 각도/방향 검출용 센서는, 복수의 FBG 센서를 포함하고, 상기 복수의 FBG 센서의 길이방향 중심축은 상기 몸체의 길이 방향 중심축과 이격되어 형성된다.
일 실시예에 따르면, 상기 각도/방향 검출용 센서는, 상기 몸체의 길이 방향 중심축에 대해 120도의 등 간격을 이루는 세 개의 FBG 센서를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 센싱부는 격자가 n개(n≥2, 자연수)씩 짝을 이루어 배치되는 복수의 격자 노드를 포함하고, 하나의 격자 노드는 n개의 격자가 서로 동일 간격으로 배치되고, 각 격자 노드의 격자들 간의 간격은 격자 노드마다 서로 상이하게 형성된다.
일 실시예에 따르면, 상기 각도/방향 검출용 센서는 관절과 관절 사이의 신체 부위를 휘감도록 연장되고, 상기 각도/방향 검출용 센서의 센싱부가 상기 관절과 관절 사이의 신체 부위에 배치된다.
일 실시예에 따르면, 상기 모션 센서는, 격자들 간의 간격이 상이한 복수의 센싱부를 포함하고, 상기 복수의 센싱부가 각각 다른 신체 부위에 대응하여 배치된다.
일 실시예에 따르면, 상기 고정구는, 상기 관절을 중심으로 연결되는 마디를 감싸는 밴드를 포함하고, 센싱부를 중심으로 양 방향으로 연장된 상기 모션 센서의 몸체가 상기 관절을 중심으로 연결되는 두 마디에 형성된 두 개의 밴드에 팽팽하게 고정된다.
일 실시예에 따르면, 상기 고정구는, 상기 모션 센서가 부착되며, 사용자가 착용 가능한 피복이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 캡쳐 장치를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 각도 검출용 센서를 도시한 것이다.
도 3은 모션 센서에 사용되는 FBG 센서의 구성을 도시한 것이다.
도 4는 도 3의 FBG 센서의 광 입구로 출력되는 반사광의 파장 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 5는 각도 검출용 센서의 일부가 굴절된 모습을 도시한 것이다.
도 6은 도 2의 각도 검출용 센서가 손가락의 일 관절에 적용된 모습을 도시한 것이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 각도 검출용 센서를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 각도/방향 검출용 센서를 도시한 것이다.
도 9는 도 8의 각도/방향 검출용 센서의 측면도이다.
도 10은 도 8의 각도/방향 검출용 센서에서 굴절 방향을 검출하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 손가락 관절에 배치되는 각도 검출용 센서 및 각도/방향 검출용 센서를 도시한 것이다.
도 12 내지 도 16은 복수의 모션 센서가 사용자의 신체 전체에 걸쳐 적용된 모습을 도시한 것이다.
도 17은 팔(또는 다리)에 적용되는 모션 센서의 개략도이다.
도 18은 제어 박스를 개념적으로 도시한 것이다.
도 19는 신체 부위별로 모듈화된 모션 캡쳐 장치를 도시한 것이다.
도 20은 다른 실시예에 따른 고정구를 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 캡쳐 장치를 도시한 것이다.
본 실시예에 따르면, 모션 캡쳐 장치는 사용자(R)의 각 관절로 연장되는 가늘고 긴 도선 형태의 복수의 모션 센서(1)와, 상기 모션 센서(1)를 사용자(R)의 신체에 고정하는 고정구(2)를 포함한다.
모션 센서(1)를 통해 사용자(R)의 관절의 움직임을 측정하고, 수집된 관절의 움직임 데이터는 디스플레이 장치(3) 속의 가상 현실 속에 놓여있는 아바타(V)의 동작을 제어하는데 이용될 수 있다. 다만, 가상 공간에 형성된 그래픽 외에도 슬레이브 로봇 등 사용자의 동작을 그대로 모사하여 동작하는 객체가 상기 아바타가 될 수 있다.
본 실시예에 따른 모션 센서(1)는 사용자의 관절의 굽힘각을 측정할 수 있는 각도 검출용 센서(100)와, 사용자의 신체의 굽힘 각도, 굽힘 방향 및 회전 방향을 산출할 수 있는 각도/방향 검출용 센서(200)의 2종류의 센서를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 각도 검출용 센서(100) 및 각도/방향 검출용 센서(200)는 모두 가요성의 몸체와, 몸체의 내부에 삽입된 FBG(Fiber bragg gratings) 센서로 이루어진다.
이하, 각도 검출용 센서(100) 및 각도/방향 검출용 센서(200)에 대해 먼저 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 각도 검출용 센서(100)를 도시한 것이다.
본 실시예에 따른 각도 검출용 센서(100)는 에폭시 재질로 가요성을 가지는 길게 연장된 몸체(102)와, 몸체(102) 내부에서 몸체(102)의 길이 방향을 따라 배치되는 한 가닥의 FBG 센서(101)를 포함한다.
후술하는 바와 같이, 모션 센서는 관절이 움직임에 따라 FBG 센서가 굴절하여 격자 간의 간격이 변화하게 되면서 발생하는 반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여 관절의 움직임을 측정하게 된다.
FBG 센서의 중심이 각도 검출용 센서(100) 전체의 굴절 중심(O')과 동일한 경우, FBG 센서의 중심을 기준으로 한 격자 간격은 그 변화 정도가 평균이 0이 되므로(FBG 센서의 중심을 기준으로 일 부분에서는 인접한 두 격자의 간격이 늘어나는 반면, 그 반대쪽 부분에서는 두 격자의 간격이 줄어들기 때문에 평균 간격의 변화는 실질적으로 0이 된다), 정확한 굴절 상태를 계산할 수 없다.
따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면 FBG 센서(101)의 중심(코어의 중심)(O)이 각도 검출용 센서(100) 전체의 굴절 중심(O')과 이격되도록 한다.
도 3은 FBG 센서(101)의 구성을 개념적으로 도시한 것이다.
FBG 센서(101)는 광섬유(110)로 이루어지며, 광섬유(110)의 일부 영역에는 복수의 격자들을 포함하는 센싱부(160)가 형성된다.
도 3에서는 격자(T1 내지 T4)를 포함하는 광섬유의 일부 영역인 센싱부(160)만을 도시한 것이다. 실제 FBG 센서는 광섬유가 센싱부(160)를 중심으로 길게 연장되는 형태를 가진다.
광섬유(110)는 유리 재질로 형성되어 자유롭게 굴절될 수 있는 클래딩(cladding)(120)과, 상기 클래딩(120)의 중심에서 클래딩(120)의 길이방향을 따라 형성된 코어(core)(130)를 포함한다. 클래딩(120)의 굴절율과 코어(130)의 굴절율은 서로 상이하다. 광섬유(110)의 양 단부에는 광원(미도시)으로부터 빛이 입사하는 광 입구(140)와, 코어(130)를 통과하여 빛이 출력되는 광 출구(150)가 형성된다.
센싱부(160)의 코어(130)에는 각각 n개(n≥2, 자연수)의 격자가 한 집합을 이루어 형성된 복수의 격자 노드(T1 ~ T4)가 형성된다.
격자는 광섬유(110)의 제작 과정에서 자외선 빛을 통해 코어(130)의 일부분의 물성을 변화시킨 부분으로, 클래딩(120) 및 코어(130)와는 다른 굴절율을 가진다.
각각의 격자 노드(T1 ~ T4)를 형성하는 격자들은 서로 동일 간격으로 배치되어 있다. 각각의 격자 노드(T1 ~ T4)를 이루는 각 격자들 사이의 간격(Λ1 ~ Λ4)은 점점 증가하는 관계를 가진다(즉, Λ1＜Λ2＜Λ3＜Λ4). 각각의 격자 노드 사이의 간격은 격자 노드를 형성하는 격자들의 간격(Λ1, Λ2, Λ3, Λ4)에 비하여 현저히 크다.
위와 같은 구성에 따르면, 광섬유(110)의 광 입구(140)로 입사된 입사광은 격자 노드들에 의한 간섭이 발생한다. 광 입구(140)로 다시 출력되는 반사광은 각 격자 노드에 대응하는 피크가 존재하는 파장 스팩트럼을 나타낸다.
도 4는 FBG 센서(101)의 광 입구(140)로 출력되는 반사광의 파장 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
격자 노드의 격자 간격(Λ)과 반사광의 파장(λB)은 하기 [수학식 1]과 같은 관계를 가진다.
[수학식 1]
λB = 2·neff·Λ
여기서, neff는 코어의 유효 굴절율을 나타내는 지표이다.
도 4의 파장 스펙트럼에 나타나는 파장들(λ1, λ2, λ3, λ4)은 각 격자 노드의 격자들의 간격(Λ1, Λ2, Λ3, Λ4)을 상기 [수학식 1]에 대입하여 구한 값에 해당한다. 다시 말해서, 파장들(λ1, λ2, λ3, λ4)은 각각 하나의 격자 노드들에 의해 반사되어 출력되는 반사광의 파장을 나타내는 것이다.
광섬유(110)가 제1격자 노드(T1)가 위치한 부분에서 굴절되는 경우, 제1격자 노드(T1)를 구성하는 격자들의 간격(Λ1)이 변화하게 될 것이고, 이에 따라 상기 [수학식 1]의 관계에 의해 도 4의 파장 곡선들 중 파장(λ1)에 대한 곡선이 좌우로 이동하는(shift) 것을 관찰할 수 있게 된다. 파장(λ1)에 대한 곡선이 좌우로 이동하는 것이 관찰되면 광섬유가 제1격자 노드(T1)의 위치에서 굴절되었다는 것을 알 수 있다.
위와 같이, FBG 센서(101)로부터 출력되는 반사광의 파장(λB)은 격자의 간격(Λ)과 비례하는 관계를 가진다.
격자의 간격(Λ) 변화는 FBG 센서(101)의 센싱부(160)가 늘어난 정도(strain)(ε)를 반영하는 것이므로, 이를 이용해 광섬유(110)의 센싱부(160)의 굴절 정도(곡률)도 알 수 있다.
도 5는 일부가 굴절된 센싱부(160)의 모습을 도시한 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 광섬유(110)의 지름을 d라고 하고, 센싱부(160)의 곡률을 k(k=1/R)라고 했을 때, 센싱부(160)가 늘어난 정도(strain)(ε)는 하기 [수학식 2]와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112016054970455-pat00001
위와 같은 원리를 이용하면 스펙트럼의 변화를 통해 관절의 굽힘 각도를 산출할 수 있다.
도 6은 각도 검출용 센서(100)가 손가락(4)의 일 관절에 적용된 모습을 도시한 것이다.
각도 검출용 센서(100)는 그 센싱부(160)가 관절 위치에 걸치도록 손가락(4)의 측면을 따라 연장된다.
손가락(4)이 펼쳐진 상태에서 센싱부(160)는 일자 형태로 형성되었다가, 손가락의 관절이 굽혀지면 그에 대응하여 센싱부(160)가 굴절하게 된다. 센싱부(160)의 굴절 정도는 손가락의 관절 굽힘각에 비례한다.
손가락의 관절이 구부러지면, 센싱부(160)가 굴절하게 되면서 센싱부(160)에 속한 격자 간의 간격 변화가 발생하면서 반사광의 파장 스펙트럼의 변화가 발생한다.
본 실시예에 따르면, 센싱부(160)의 길이 방향의 중앙 부분이 손가락의 관절 위치에 정렬되어 있다.
따라서, 손가락의 관절 각도(δ)는 굴절된 센싱부(160)의 일 단부와 중앙을 잇는 길이(l)의 두 선분 사이의 사잇각으로 정의될 수 있다.
상기 [수학식 3]과 같이 센싱부(160)의 원래 길이(L)와 굴절에 따라 늘어나는 길이(△L)의 관계를 통해 반지름(R)을 알 수 있고, θ = k(L + △L) (k= 1/R)의 값을 가지므로, θ값을 계산할 수 있다.
나아가, 손가락 관절의 굽힘 각도(δ)는 하기 [수학식 4]와 같이 구할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112016054970455-pat00002
즉, 반사광의 파장 스펙트럼 분석을 통해 센싱부(160)의 곡률을 계산하고, 이를 통해 손가락 관절의 굽힘 각도를 계산할 수 있다.
다만, 상기 [수학식 4]는 예시적인 것으로, 각도 검출용 센서(100)의 손가락 관절에 대한 위치, 센싱부(160)에 속하는 격자 노드의 개수 및 간격 등에 의해 곡률과 굽힙 각도의 관계식은 변경될 수 있다.
또한, 손가락에 각도 검출용 센서(100)를 설치하고 계산되는 관절의 굽힘각과 실제 측정되는 굽힘각의 차이를 보정하기 위한 조정 작업이 필요할 수 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 각도 검출용 센서(100')를 도시한 것이다.
앞선 실시예에서는 하나의 FBG 센서(100)를 이용해 각도 검출용 센서를 구성하였다. 도 3에 도시된 바와 같이, FBG 센서(100)의 격자 노드들 간에는 소정의 간격이 존재한다. 이러한 간격을 소위 데드존(dead zone)이라고 한다.
데드존의 위치에 손가락(4)의 관절이 위치하는 경우, 손가락의 관절의 굽힘 동작에 대응하여 격자 간의 간격이 벌어지지 않게 될 수 있다. 그만큼 관절의 굽힘각 측정의 정확도가 감소할 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따르면, 각도 검출용 센서(100')는 몸체(102')의 굴절 중심(O)에 대해 그 길이방향 중심이 이격되어 배치되는 두 개의 FBG 센서(101', 101")를 포함한다.
도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 각도 검출용 센서(100')의 센싱부에서, 제1 FBG 센서(101')의 격자 노드(T1, T2, T3)와, 제2 FBG 센서(101")의 격자 노드(T4, T5)는 각도 검출용 센서(100')의 길이 방향을 따르는 위치가 서로 중첩되지 않도록 서로 교번하여 배치된다.
이에 따라서, 손가락(4)의 관절 굽힘 위치가 데드존에 위치하는 것을 최소화할 수 있다.
제1 FBG 센서(101')의 격자 노드(T1, T2, T3)와, 제2 FBG 센서(101")의 격자 노드(T4, T5)는 그 격자들의 간격이 상이하다.
한편, 도 7의 (a)에 잘 도시된 바와 같이, 몸체(102')는 길이방향에서 보았을 때, 사각형 단면을 가진다. 이에 따라서, 각도 검출용 센서(100')를 신체 부위의 관절 측면에 보다 밀착하여 고정할 수 있다.
각도 검출용 센서의 몸체를 원형으로 제작되는 경우 고정용 밴드나 슈트에 고정하여 방향성을 부여하지만, 사각형 단면의 구조로 제작하는 경우 센서 자체로 굽힘의 방향을 가져 굽힘 방향은 별도로 고려하지 않도록 할 수 있다.
본 실시예에 따른 각도 검출용 센서(100)는 그 센싱부(160)가 관절 위치에 걸치도록 손가락(4)의 측면을 따라 연장되도록 형성되어 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
센싱부(160)가 관절의 움직임에 대응하여 굴절될 수 있다면, 신체 부위의 임의의 위치에서 관절을 통과하도록 각도 검출용 센서(100)를 배치하여도 좋다. 센싱부(160)로부터 검출되는 곡률과 굽힘 각도의 관계식은 검출되는 곡률에 따른 관절의 굽힘 각도를 실측한 정보를 바탕으로 각도 검출용 센서(100)의 위치에 따라 정해질 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 각도/방향 검출용 센서(200)를 개념적으로 도시한 것이다.
본 실시예에 따른 각도/방향 검출용 센서(200)는 위에서 설명한 FBG 센서를 복수개 구비하고, 각각의 FBG 센서에 대한 반사광의 파장 스펙트럼 변화를 이용해 센서(200)의 몸체의 곡률 및 굴절 방향을 검출할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 각도/방향 검출용 센서(200)의 몸체(202)에는 세 개의 FBG 센서(300, 400, 500)가 형성되어 있다.
세 개의 FBG 센서(300, 400, 500)는 몸체(202)의 길이방향 중심(O)을 중심으로 방사형으로 배치되며, 120°의 사이 각을 가지고 동일 간격으로 형성된다. 따라서, 각각의 FBG 센서(300, 400, 500)의 중심(코어의 중심)이 각도/방향 검출용 센서(200) 전체의 굴절 중심과 이격되도록 형성된다.
도 9는 각도/방향 검출용 센서(200)의 측면도이다. 설명의 편의를 위해 세 개의 FBG 센서(300, 400, 500)는 광섬유와 코어의 구분없이 도시하였다. 또한, 도 9에서는 격자를 포함하는 광섬유의 일부 영역인 센싱부(260)만을 도시한 것이다. 실제 각도 방향 검출용 센서(200)는 광섬유가 센싱부(260)를 중심으로 길게 연장되는 형태를 가진다.
제1 FBG 센서(300)의 광섬유(310)의 센싱부(360)에는 복수의 격자 노드(T301, T302, T303, T304)가 형성된다. 각각의 격자 노드(T301, T302, T303, T304)를 형성하는 격자들은 서로 동일 간격으로 배치되어 있다. 각각의 격자 노드(T301, T302, T303, T304)를 이루는 각 격자들 사이의 간격은 서로 상이하게 형성되며 본 실시예에서는 점점 증가하는 관계를 가진다.
제2 FBG 센서(400)의 광섬유(410)의 센싱부(460)에는 복수의 격자 노드(T401, T402, T403, T404)가 형성된다. 각각의 격자 노드(T401, T402, T403, T404)를 형성하는 격자들은 서로 동일 간격으로 배치되어 있다. 각각의 격자 노드(T401, T402, T403, T404)를 이루는 각 격자들 사이의 간격은 서로 상이하게 형성되며 본 실시예에서는 점점 증가하는 관계를 가진다.
제3 FBG 센서(500)의 광섬유(510)의 센싱부(560)에는 복수의 격자 노ㄷ(T501, T502, T503, T504)가 형성된다. 각각의 격자 노드(T501, T502, T503, T504)를 형성하는 격자들은 서로 동일 간격으로 배치되어 있다. 각각의 격자 노드(T501, T502, T503, T504)를 이루는 각 격자들 사이의 간격은 서로 상이하게 형성되며 본 실시예에서는 점점 증가하는 관계를 가진다.
세 개의 FBG 센서(300, 400, 500)의 센싱부(360, 460, 560)로부터 대응하는 각 센서의 반사광의 파장 변화를 검출하면, 상술한 바와 같이, 센싱부(260)의 곡률 및 굴절 방향에 대한 정보를 얻을 수 있다.
도 10은 각도/방향 검출용 센서(200)에서 굴절 방향을 검출하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 10에서는 수식화의 편의를 위해 제1 FBG 센서(300)는 첨자 A로, 제2 FBG 센서(400)는 첨자 B로, 제3 FBG 센서(500)는 첨자 C로 표시한다.
각도/방향 검출용 센서(200)의 센싱부(260)의 일부분이 굴절된 경우, 각 FBG 센서(300, 400, 500)의 굴절 부분에 근접해 위치하는 격자 노드에 대응하는 반사광의 파장이 변화하게 된다.
이때 굴절 방향에 따라서, 각 FBG 센서(300, 400, 500)의 스트레인(ε)은 서로 다르다. 예를 들어, 도 10에서 몸체(10)가 정 아래 방향으로 구부러진 경우, 제1 FBG 센서(300)의 해당 부위 격자 노드는 간격이 벌어질 것이고, 다른 FBG 센서(400, 500)의 해당 부위 격자 노드는 간격이 줄어들 것이다.
각 FBG 센서(300, 400, 500)의 strain(ε)을 비교하면, 휘어진 부분에서의 센싱부(260)의 곡률(k)은 하기 [수학식 5]과 같이 계산할 수 있고, 굴절 방향(γ)는 하기 [수학식 6]과 같이 계산할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112016054970455-pat00003
[수학식 6]
Figure 112016054970455-pat00004
여기서, εA는 굴절 부위에서의 제1 FBG 센서(300)의 strain이고, εB는 굴절 부위에서의 제2 FBG 센서(400)의 strain이며, εC는 굴절 부위에서의 제3 FBG 센서(500)의 strain이다.
각도/방향 검출용 센서(200)의 FBG 센서(300, 400, 500)들 각각에서 출력되는 반사광들의 파장 스펙트럼을 각각 분석하면 센싱부(260)의 어느 부분에서 굴절이 발생하였는지 여부와 strain을 알 수 있고, 상기 [수학식 5] 및 [수학식 6]를 이용해 그 곡률과 굴절 방향을 알 수 있다.
센싱부의 곡률을 통해 센싱부를 굴절시키는 관절의 굽힘각을 계산하는 것은 앞서 설명하였다. 아울러, 센싱부의 굴절 방향은 센싱부를 굴절시키는 관절의 굽힘 방향을 나타낸다.
따라서, 예를 들어, 각도/방향 검출용 센서(200)를 손목과 같이 여러 방향으로 굽힐 수 있는 관절에 배치하고, 센싱부(260)가 손목 관절의 움직임에 대응하여 굴절될 수 있도록 고정하면, 센싱부(260)의 곡률과 굴절 방향을 통해 손목 관절의 굽힘 각도 및 굽힘 방향을 알 수 있게 된다.
다만, 각도/방향 검출용 센서(200)는 반드시 관절에 적용되어 센싱부(260)가 관절에 대응하는 위치에 배치되는 것이 한정되지 않는다.
예를 들어, 어깨와 연결되는 상박의 경우 어깨 관절의 축방향을 기준으로 회전 운동(뒤틀림)한다.
예를 들어, 각도/방향 검출용 센서(200)를 상박을 따라 사선 배치하고, 센싱부(260)를 상박 피부에 접하도록 배치하면, 상박의 회전 운동에 따라 센싱부(260)의 각 격자 노드의 길이가 각 격자 노드가 위치한 신체 부위의 움직임에 대응하여 변화하게 된다.
각 격자 노드로부터 검출되는 파장 스펙트럼 신호를 분석하면, 각 격자 노드가 위치한 부위의 굴절 방향이 계산되고, 해당 굴절 방향들을 종합하면 기준점(어깨 관절)을 중심으로 하는 각도/방향 검출용 센서(200)의 센싱부의 형상 변화를 측정할 수 있게 되고, 이를 통해 센싱부의 팁(tip)의 위치 변화를 계산함으로써 회전 여부 및 회전량을 측정할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따르면, 각도/방향 검출용 센서(200)는 세 개의 FBG 센서를 구비하는 것을 설명하였지만, 이에 한정되지는 않는다.
예를 들어, 도 10을 참조하면, 제1 FBG 센서(300) 및, 상기 제1 FBG 센서(300)와 중심(O)에 대해 90도의 각도를 이루도록 제2 FBG 센서(400)를 배치하여, 두 개의 FBG 센서를 이용해 센싱부의 굴절 방향을 알 수도 있다.
도 10에서 센싱부가 A 방향으로 굴절하는 경우, 제1 FBG 센서(300)는 굴절 부위에 위치한 격자 노드의 격자 간격이 감소하므로, 도 4와 같은 반사광의 파장 스펙트럼 곡선 중 해당 파장의 곡선이 좌측으로 이동하는 현상을 검출할 수 있다. 반면, 센싱부가 A 방향의 반대방향인 아래쪽으로 굴절하는 경우, 파장 스펙트럼 곡선의 이동은 상기와 반대가 될 것이다.
한편, 센싱부가 도 10에서 좌측으로 굴절하는 경우, 제2 FBG 센서(400)는 굴절 부위에 위치한 격자 노드의 격자 간격이 감소하므로, 그 된 반사광의 파장 스펙트럼 곡선 중 해당 파장의 곡선이 좌측으로 이동하는 현상을 검출할 수 있다. 반대로 우측으로 굴절하는 경우, 파장 스펙트럼 곡선의 이동은 상기와 반대가 될 것이다.
이러한 원리를 이용하면 두 개의 FBG 서 각각으로부터 출력되는 반사광의 파장 변화를 분석하여 굴절된 방향을 알 수 있게 된다.
나아가, 세 개보다 많은 FBG 센서를 이용하여도 굴절 방향을 계산할 수 있다는 점이 이해될 것이다.
따라서, 각도/방향 검출용 센서(200)가 복수의 FBG를 구비하도록 하면, 센싱부(260)의 곡률 및 굴절 방향을 알 수 있다.
도 11은 손가락 관절에 배치되는 각도 검출용 센서(100) 및 각도/방향 검출용 센서(200)를 도시한 것이다.
손바닥과 손가락을 잇는 제1 관절은 다양한 방향으로 움직임이 가능한 다자유도 관절로, 제1 관절에 위치에 대응하여 각도/방향 검출용 센서(200)가 배치된다. 각도/방향 검출용 센서(200)의 센싱부(260)는 제1 관절과 정렬되어 제1 관절의 굽힘 각도 및 굽힘 방향에 대한 정보를 제공한다.
제1 관절 이후에 형성되는 손가락의 제2 관절 및 제3 관절은 일 방향으로만 굽힘이 가능한 1자유도 관절에 해당한다. 제2 관절 및 제3 관절에는 각도 검출용 센서(100)가 배치될 수 있다.
제2 관절 및 제3 관절 각각에 별도의 각도 검출용 센서(100)를 배치하는 것도 가능하지만, 본 실시예에 따르면, 한 가닥의 각도 검출용 센서(100)를 제2 관절 및 제3 관절에 걸쳐 배치한다.
도 11을 참조하면, 각도 검출용 센서(100)는 제2관절과 제3관절의 위치에 대응하는 두 개의 센싱부(160, 160')를 구비한다. 즉, 하나의 각도 검출용 센서(100)에 복수의 센싱부가 배치되는 것이다.
두 개의 센싱부(160, 160')를 구성하는 격자들 간의 간격은 서로 상이하게 형성되어 반사광의 파장 스펙트럼이 서로 겹치지 않도록 형성된다. 두 개의 센싱부(160, 160')가 각각 네 개씩 격자 노드를 가지는 경우, 총 8개의 격자 노드를 형성하는 격자 간격이 모두 상이하게 형성되어야 한다.
이와 같은 구성에 따라서, 하나의 각도 검출용 센서(100)가 걸치는 제2관절과 제3관절의 두 관절의 굽힘 각도를 구분하여 산출할 수 있게 된다.
이와 같이, 동일한 종류의 한 가닥의 센서가 여러 관절을 경유하도록 배치될 수 있다면, 관절 수만큼의 센싱부를 형성하여, 모션 센서의 수를 감소시킬 수도 있다.
본 실시예에서는 하나의 센싱부가 복수의 격자 노드를 구비하는 것으로 설명하였지만, 하나의 센싱부는 하나의 격자 노드를 구비하여도 좋다. 이 경우, 도 4에서 하나의 피크에 해당하는 반사광 스펙트럼만이 나타날 것이다.
도 12 내지 도 16은 복수의 모션 센서(2)가 사용자의 신체 전체에 걸쳐 적용된 모습을 도시한 것이다.
본 실시예에 따르면, 예를 들어, 팔꿈치 관절과 같이 일 방향으로 굽힘 동작만이 가능한 1 자유도 관절은 굽힘 방향이 정해져 있으므로 각도 검출용 센서(100)가 적용된다.
반면, 손목 관절과 같이 여러 방향으로 굽힘 동작이 가능한 다자유도 관절은 그 움직임을 모사하기 위해 굽힘 각도 및 방향을 알아야 하므로, 각도/방향 검출용 센서(200)가 적용된다.
또한, 상박, 하박, 허벅지, 종아리와 같이 회전이 발생하는 신체 부위는 그 움직임을 모사하기 위해 관절의 회전 방향을 알아야 하므로, 각도/방향 검출용 센서(200)가 적용된다. 회전이 발생하는 부분의 센서 팁의 위치 변화를 측정하여 관절 축방향의 회전 정도를 측정하게 된다.
다만, 각도/방향 검출용 센서(200)는 각도 측정 기능을 포함하고 있으므로, 1 자유도 관절에 각도/방향 검출용 센서(200)가 적용되어도 무관하다.
상술한 바와 같이, 각도 검출용 센서(100)는 하나의 FBG 센서를 포함하고, 각도/방향 검출용 센서(200)는 세 개의 FBG 센서를 포함하므로, 각도/방향 검출용 센서(200)가 스펙트럼 분석을 시행해야 하는 FBG 센서가 많다. 아울러, 각도/방향 검출용 센서(200)가 일반적으로는 각도 검출용 센서(100)에 비해 크기가 크고 제조가 용이하지 못하다.
따라서, 1 자유도 관절에는 각도 검출용 센서(200)를 적용함으로써, 계산 양을 줄이고, 제조 단가나 장치의 간소화를 이룰 수 있다.
도 12 내지 도 16에서 각 부위별 모션 센서에 대한 참조 부호 100 또는 200 옆에 병기된 첨자는 모션 센서가 적용되는 신체 부위를 의미한다.
도 13에 가장 잘 도시된 바와 같이, 모션 캡쳐 장치는 사용자가 허리에 휴대할 수 있는 크기에 제어 박스(600)를 포함한다.
도 18은 제어 박스(600)를 개념적으로 도시한 것이다.
도 18에 도시된 바와 같이, 제어 박스(600)는 모션 센서(2)에 빛을 조사하는 광원(603)을 포함하고, 광원(603)에는 커넥터(601)를 통해 신체 각 부위로 연장되는 각도 검출용 센서(100) 및/또는 각도/방향 검출용 센서(200)가 연결되어 있다.
도 18에서는 도시의 편의를 위해 5개의 커넥터(601) 및 센서를 도시하였지만, 커넥터(601)는 사용되는 각도 검출용 센서(100) 및 각도/방향 검출용 센서(200)의 수에 대응하여 구비될 수 있다. 광원(603)은 모션 센서로부터 출력되는 반사광을 분배하는 분배기 등을 포함할 수 있다.
각도 검출용 센서(100) 및 각도/방향 검출용 센서(200)로부터 출력되는 반사광의 스펙트럼은 계측기(604)를 통해 분석된다. 계측기(604)는 각각 각도 검출용 센서(100) 및 각도/방향 검출용 센서(200)로부터 출력되는 반사광(각도 검출용 센서(100)은 1개(또는 2개)의 반사광, 각도/방향 검출용 센서(200)는 3개의 반사광을 포함한다)의 스펙트럼을 분석하여, 각 센서의 센싱부에 대응하는 관절의 굽힘 각도 (및 굽힘 방향)을 계산한다.
제어 박스(600)는 충전식 배터리(602)를 구비하여 휴대 가능하도록 구성되고, 계측기(604)를 통해 계산된 관절의 움직임 정보를 아바타(V)를 제어하기 위한 제어기로 송출할 수 있는 유무선 통신 장치를 구비할 수도 있다.
다시 도 12 내지 도 16을 참조하면, 제어 박스(600)로부터 복수의 모션 센서가 신체 각 부위로 연장되어 나간다.
도 13에서는 5가닥의 모션 센서만이 제어 박스(600)를 향하도록 도시되어 있지만, 다른 모션 센서는 제어 박스(600) 옆에서 상부로 연장되는 고정구(2)의 밴드 및 스트립의 내부에 매설되어 연장된다는 것이 이해되어야 할 것이다.
제어 박스(600)로부터 연장되어 오른쪽 팔로 연장되는 한가닥의 모션 센서(200RA)는 어깨 관절을 지나 상박을 휘감고, 다시 팔꿈치를 경유해 하박(팔뚝)을 휘감아 손목까지 연장된다.
도 17은 모션 센서(200RA)의 개략도이다. 본 실시예에 따른 모션 센서(200RA)는 각도/방향 검출용 센서이며, 네 개의 서로 이격된 센싱부(261, 262, 263, 264)를 포함한다.
제1 센싱부(261)는 어깨 관절의 위치에 대응하도록 배치되고, 제2 센싱부(262)는 상박을 휘감는 센서 부위에 위치하도록 배치된다. 제3 센싱부(263)는 하박을 휘감는 센서 부위에 위치하도록 배치되고, 제4 센싱부(264)는 손목 관절의 위치에 대응하도록 배치된다.
도 16a에 가장 잘 도시된 바와 같이, 고정구(2)는 전체적으로 예를 들어 손목 관절과 같은 관절을 사이에 두고 연결되는 마디(손바닥과 팔뚝)를 감싸는 밴드(31, 33)와, 인접한 밴드를 연결하는 스트립(33)으로 구성된다.
손목 관절을 중심으로 연결되는 두 마디에 형성된 두 개의 밴드(31, 33)는 손목 관절의 움직임을 측정하기 위한 모션 센서(200LA)의 제4 센싱부(264)가 손목 관절 위치에 걸치도록 한 상태로 모션 센서(200LA)를 손목에 밀착하여 팽팽하게 고정한다.
이에 따라서, 손목 관절의 움직에 대응하여 모션 센서(200LA)의 제4 센싱부(264)가 정확하게 굴절할 수 있게 된다.
손목 관절에 위치하는 모션 센서(200LA)의 제4 센싱부(264)가 손목 관절의 위치와 정렬되지 않은 경우, 모션 센서(200LA)를 두 밴드(31, 32) 사이에서 조금 당기거나 밀어 센싱부(264)가 손목 관절의 위치를 정렬시킬 수 있다.
정렬이 완료된 모션 센서(200LA)는 두 밴드(31, 32)에 클립(미도시) 등을 연결하여 더 이상 위치 변화가 이루어지지 않게 고정할 수 있다.
한편, 모션 센서(200RA)는 팔의 길이에 비해 길게 형성될 수 있다. 각 센싱부(261, 262, 263, 264)의 정해진 위치에 각각 위치시켜 고정한 후, 인접한 두 센싱부 사이에 잔여하는 센서의 잔여분은 고정구의 내부에 집어넣거나 고정구에 휘감아 보관할 수 있다.
어깨 관절에 위치하는 제1 센싱부(261)를 통해 출력되는 반사광을 분석해 어깨 관절의 굽힘각 및 굽힘 방향에 따른 어깨의 움직임을 측정한다.
상박에 위치하는 제2 센싱부(262)를 통해 출력되는 반사광을 분석해 상박의 어깨에 대한 회전 상태를 측정한다. 하박에 위치하는 제3 센싱부(263)를 통해 출력되는 반사광을 분석해 하박의 팔꿈치에 대한 회전 상태를 측정한다.
도 13을 참조하면, 상박이 회전하는 경우 신체 구조상 상박의 위쪽에 결속된 밴드(21)에 비해 상박의 아래쪽에 결속된 밴드(22)가 상대적으로 더 많이 회전하게 되므로, 상박에 위치하는 제2 센싱부(262)의 형상 변화를 유발하게 된다. 상술한 바와 같이, 제2 센싱부(262)의 형상 변화를 통해 상박의 회전 상태를 측정 가능하게 된다. 마찬가지로, 하박이 회전하는 경우 하박의 위쪽에 결속된 밴드(23)에 비해 하박의 아래쪽에 손목과 인접하여 결속된 밴드(31)가 상대적으로 더 많이 회전하게 되므로, 하박에 위치하는 제3 센싱부(263)의 형상 변화를 유발하게 된다. 제3 센싱부(263)의 형상 변화를 통해 하박의 회전 상태를 측정 가능하게 된다.
손목 관절에 위치하는 제4 센싱부(264)를 통해 출력되는 반사광을 분석해 손목 관절의 굽힘각 및 굽힘 방향에 따른 손목의 움직임을 측정한다.
본 실시예에 따르면, 네 개의 센싱부(261, 262, 263, 264)를 구비하는 각도/방향 검출용 센서인 한가닥의 모션 센서(200RA)를 이용해 어깨에서 손목까지(팔꿈치 제외)의 움직임을 모두 캡쳐해낼 수 있게 된다.
한편, 팔꿈치는 1자유도 관절에 해당하므로, 본 실시예에 따르면, 각도 검출용 센서인 모션 센서(100RA)를 이용해 팔꿈치 관절의 움직임을 측정 및 캡쳐한다.
본 실시예에 따르면, 모션 센서(100RA)는 하나의 센싱부를 가지며, 해당 센싱부가 팔꿈치 관절과 정렬되도록 배치되어 팔꿈치의 움직임을 측정한다.
왼쪽 팔에는 오른쪽 팔과 동일하게 하나의 각도/방향 검출용 센서인 모션 센서(200LA)와 각도 방향 검출용 센서인 모션 센서(100LA)가 연장되어 왼쪽 팔의 움직임을 측정한다. 모션 센서(200LA)와 모션 센서(100LA)의 구조와 기능 및 배치는 각각 모션 센서(200RA)와 모션 센서(100RA)와 동일하다.
한편, 도 16a 및 도 16b를 참조하면, 손가락마다 각각 각도/방향 검출용 센서인 모션 센서 하나와 각도 방향 검출용 센서인 모션 센서 하나가 연장된다.
엄지에는 손바닥과 이어지는 제1 관절 위로 각도/방향 검출용 센서인 모션 센서(200F1)가 배치된다. 모션 센서(200F1)의 센싱부는 제1 관절의 위치에 정렬되도록 배치되어 제1 관절의 굽힘 각도와 방향을 측정한다.
제1 관절 다음에 위치하는 1자유도의 제2 관절을 지나도록 각도 검출용 센서인 모션 센서(100F1)가 배치된다. 모션 센서(100F1)의 센싱부는 제2 관절의 위치에 정렬되도록 배치되어 제2 관절의 굽힘 각도를 측정한다.
도 16a 및 도 16b에는 모션 센서(200F1) 및 모션 센서(100F1)가 손 위에서만 연장된 것으로 도시하였지만, 센싱부를 구비하지 않는 모션 센서의 잔여분은 고정구(2)의 내부를 통해 제어 박스(600)까지 연장된다.
검지에는 손바닥과 이어지는 제1 관절 위로 각도/방향 검출용 센서인 모션 센서(200F2)가 배치된다. 모션 센서(200F2)의 센싱부는 제1 관절의 위치에 정렬되도록 배치되어 검지의 제1 관절의 굽힘 각도와 방향을 측정한다.
제1 관절 다음에 위치하는 1자유도의 제2 관절 및 제3관절까지 연장되도록 각도 검출용 센서인 모션 센서(100F2)가 배치된다. 모션 센서(100F2)는 두 개의 센싱부를 구비하며, 두 센싱부가 각각 제2 관절과 제3 관절의 위치에 정렬되도록 배치되어 제2 관절 및 제3 관절의 굽힘 각도를 측정한다.
중지, 약지 및 새끼 손가락에도 각각 손바닥과 이어지는 제1 관절 위로 각도/방향 검출용 센서인 모션 센서(200F3, 200F4, 200F5)가 배치되며, 제2 관절 및 제3관절까지 연장되도록 각도 검출용 센서인 모션 센서(100F3, 100F4, 100F5)가 배치된다.
각 손가락의 움직임을 측정 및 캡쳐하는 원리는 도 11을 참조하여 이미 설명하였다.
왼손을 참조하여 설명하였지만, 오른손에도 왼손과 동일한 방식으로 모션 센서가 배치된다는 점이 이해될 것이다.
본 실시예에 따르면, 팔을 따라 연장되는 두 가닥의 모션 센서와 손가락마다 배치되는 두 가닥의 모션 센서로 총 12가닥의 모션 센서를 이용해 신체 기관 중 가장 정교하게 움직이는 손 관절의 움직임의 측정이 가능하다.
한편, 제어 박스(600)로부터 연장되어 하나의 다리로 연장되는 한가닥의 모션 센서(200RL)는 고관절을 지나 허벅지를 휘감고, 다시 무릎을 경유해 종아리을 휘감아 발목까지 연장된다.
도 17에 도시된 바와 같이, 모션 센서(200RL)는 모션 센서(200RA)와 동일한 구조를 가지도록 할 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 모션 센서(200RL)는 각도/방향 검출용 센서이며, 네 개의 서로 이격된 센싱부(261, 262, 263, 264)를 포함한다.
모션 센서(200RL)의 제1 센싱부(261)는 고관절의 위치에 대응하도록 배치되고, 제2 센싱부(262)는 허벅지를 휘감는 센서 부위에 위치하도록 배치된다. 제3 센싱부(263)는 종아리를 휘감는 센서 부위에 위치하도록 배치되고, 제4 센싱부(264)는 발목 관절의 위치에 대응하도록 배치된다.
고관절에 위치하는 제1 센싱부(261)를 통해 출력되는 반사광을 분석해 고관절의 굽힘각 및 굽힘 방향에 따른 고관절의 움직임을 측정한다. 허벅지에 위치하는 제2 센싱부(262)를 통해 출력되는 반사광을 분석해 허벅지의 회전 상태를 측정한다. 종아리에 위치하는 제3 센싱부(263)를 통해 출력되는 반사광을 분석해 종아리의 회전 상태를 측정한다. 발목 관절에 위치하는 제4 센싱부(264)를 통해 출력되는 반사광을 분석해 발목 관절의 굽힘각 및 굽힘 방향에 따른 발목의 움직임을 측정한다.
본 실시예에 따르면, 각도/방향 검출용 센서인 모션 센서(200RL2)가 발목 부위에서 모션 센서(200RL)와 대략 평행하게 발목 관절에 걸쳐져 형성되어, 다자유도의 발목의 움직임 측정에 신뢰성을 더할 수 있다. 이러한 추가적인 모션 센서는 손목에도 추가 적용될 수 있다.
네 개의 센싱부(261, 262, 263, 264)를 구비하는 각도/방향 검출용 센서인 한가닥의 모션 센서(200RL)를 이용해 고관절에서 발목까지(무릎 제외)의 움직임을 모두 캡쳐해낼 수 있게 된다.
한편, 무릎은 1자유도 관절에 해당하므로, 본 실시예에 따르면, 각도 검출용 센서인 모션 센서(100RL)를 이용해 무릎 관절의 움직임을 측정 및 캡쳐한다.
본 실시예에 따르면, 모션 센서(100RL)는 하나의 센싱부를 가지며, 해당 센싱부가 무릎 관절과 정렬되도록 배치되어 무릎의 움직임을 측정한다.
왼쪽 다리에는 오른쪽 다리과 동일하게 하나의 각도/방향 검출용 센서인 모션 센서(200LL)와 각도 방향 검출용 센서인 모션 센서(100LL)가 연장되어 왼쪽 다리의 움직임을 측정한다. 모션 센서(200LL)와 모션 센서(100LL)의 구조와 기능 및 배치는 각각 모션 센서(200RL)와 모션 센서(100RL)와 동일하다.
도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 허리와 목 관절의 움직임을 검출하기 위해 각도/방향 검출용 센서를 이용한 모션 센서(200B)가 배치된다. 모션 센서(200B)는 허리 라인을 따라 뒤통수까지 연결된다. 모션 센서(200B)는 허리 전체의 굽힘 각도, 굽힘 방향 및 회전량을 검출하기 위해 실질적으로 허리 길이에 걸치는 센싱부를 포함할 수 있다.
목에 대한 얼굴의 움직임을 검출하기 위해 각도/방향 검출용 센서를 이용한 두 개의 모션 센서(200F1, 200F2)가 목의 측부로 연장되어 얼굴 측면까지 연장된다. 두 개의 모션 센서(200F1, 200F2)를 이용함으로써, 비교적 자유도가 높은 목에 대한 얼굴의 움직임을 측정할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 고정구(2)가 전신 착용형으로 이루어지고, 모든 모션 센서가 하나의 제어박스(600)에 연결되는 것으로 설명하였지만 이에 한정되지 않는다.
도 19는 모듈화된 모션 캡쳐 장치를 도시한 것이다.
도 19에 도시된 바와 같이, 필요에 따라, 손(도 19(a)), 팔(도 19(b)) 및 다리(도 19(c))로 고정구(2-1, 2-2, 2-3)를 각 파트로 구분해 별도로 형성하고, 각 파트별로 제어박스(600-1, 600-2, 600-3)를 부착한 뒤 각 파트에 구비된 모션 센서를 제어 박스에 연결하도록 모듈화할 수 있다.
사용자는 필요 부위에 모듈화된 각 모션 캡처 장치를 착용할 수 있다. 각 모듈을 모두 착용하면, 앞서 설명한 전신 착용형 장치와 동일한 작동을 할 수 있게 된다.
또한, 본 실시예에 따르면, 고정구(2)가 밴드 형태로 이루어진 것으로 설명하였지만 이에 한정되지 않는다.
도 20은 다른 실시예에 따른 고정구(4)를 도시한 것이다.
본 실시예에 따른 고정구(4)는 그 내부에 복수의 모션 센서를 매설하고 있으며, 탄력을 가져 피부에 밀착될 수 있는 피복 형태를 가진다. 여기서 피복은 슈트뿐만 아니라, 장갑, 신발, 모자 등 사용자가 착용할 수 있는 형태의 의복을 모두 포함한다고 할 것이다.
이와 같은 고정구(4)에 따르면, 맞춤형으로 제작된 피복을 사용자가 착용하면 모션 센서가 각 관절에 실질적으로 정렬 배치될 수 있으므로, 간단한 데이터 보정 작업을 통해서 모션 캡쳐가 가능해진다.
다만, 고정구(4)의 형태는 예시한 밴드형, 피복형에 한정되지 않으며, 모션 센서는 접착을 통해 사용자의 피부에 고정될 수도 있고, 압박 밴드 등을 이용해 고정될 수도 있다.
모션 센서의 센싱부가 각 관절에 정렬되고, 관절의 움직임에 훌륭히 대응하여 굴절될 수 있게 모션 센서를 신체에 고정할 수 있는 형태라면, 본 발명에 따른 고정구로 이용될 수 있을 것이다.
본 실시예에 따른 모션 캡쳐 장치에 의하면, 신체 전체에 걸쳐 총 35 자유도 이상의 관절 운동을 동시에 측정 가능하다. 특히 22 자유도에 달하는 복잡하고 정교한 손과 손가락의 움직임을 각 관절별로 동시에 측정할 수 있게 된다.
또한, FBG 센서를 이용함으로써 수 nm의 미세한 변화도 측정이 가능하며, 다양한 길이와 형태로 모션 센서의 제작이 가능하여, 측정 해상도와 범위를 다변화할 수 있다. 또한, 장시간 사용에 따른 소위 드리프트 현상이 발생하지 않는다.
따라서, 매우 높은 정확성과 신뢰성을 가지는 모션 캡쳐가 가능하다.
모션 캡쳐 장치에 의해 계산된 신체의 각 관절의 굽힘 각도 및 굽힘 방향 정보는 아바타(V)의 각 관절을 움직이기 위한 정보로 변환되어 아바타(V)를 정교하게 제어할 수 있게 된다. 이로써, 예를 들어, 하나의 가상 공간 안에서 서로 다른 사용자가 제어하는 두 아바타가 서로 악수를 하는 동작과 같이, 아바타의 손의 각도 및 위치가 정확히 계산되어야 하는 매우 정교한 동작의 제어도 가능해진다.
아울러, 아울러 본 실시예에 따른 모션 캡쳐 장치는 제어 박스를 휴대형의 컴팩트한 구조로 구성하는 경우 공간의 제약 없이 모션 캡쳐가 가능하다. 모션 센서는 매우 가벼운 재질로 형성되므로, 적절한 고정구를 통해 신체에 착용함으로써, 사용자의 움직임의 제약을 최소화할 수 있게 된다.

Claims (16)

  1. 가요성의 몸체와, 상기 몸체의 내부에 삽입된 FBG(Fiber bragg gratings) 센서로 이루어진 모션 센서;
    상기 모션 센서를 사용자의 신체에 고정하는 고정구;
    상기 모션 센서에 빛을 조사하는 광원;
    상기 모션 센서로부터 출력되는 반사광을 분석하는 계측기를 포함하고,
    상기 FBG 센서는 상기 몸체의 길이방향을 따라 연장되는 광섬유와, 상기 광섬유의 일부 영역에 형성되며 복수의 격자를 포함하는 센싱부를 포함하고,
    사용자의 동작에 따른 상기 격자 간의 간격 변화로 인해 발생되는 반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여, 사용자의 동작 상태를 측정하는 것을 특징으로 하는 모션 캡쳐 장치로서,
    상기 모션 센서는, 상기 센싱부가 사용자의 관절에 걸치도록 배치되고, 상기 모션 센서는, 상기 파장 스펙트럼의 변화를 통해 상기 관절의 굽힘 각도를 산출할 수 있는 각도 검출용 센서를 포함하며,
    상기 센싱부는 격자가 n(n>=2, 자연수)씩 짝을 이루어 배치되는 격자 노드를 포함하고,
    상기 각도 검출용 센서는, 복수의 FBG 센서를 포함하고, 상기 복수의 FBG 센서의 길이 방향 중심축은 상기 몸체의 길이 방향 중심축과 이격되어 배치되며,
    상기 각도 검출용 센서의 길이 방향을 따르는 각 FBG 센서의 격자 노드들의 위치가 서로 중첩되지 않는 것을 특징으로 하는 모션 캡쳐 장치.
  2. 삭제
  3. 가요성의 몸체와, 상기 몸체의 내부에 삽입된 FBG(Fiber bragg gratings) 센서로 이루어진 모션 센서;
    상기 모션 센서를 사용자의 신체에 고정하는 고정구;
    상기 모션 센서에 빛을 조사하는 광원;
    상기 모션 센서로부터 출력되는 반사광을 분석하는 계측기를 포함하고,
    상기 FBG 센서는 상기 몸체의 길이방향을 따라 연장되는 광섬유와, 상기 광섬유의 일부 영역에 형성되며 복수의 격자를 포함하는 센싱부를 포함하고,
    사용자의 동작에 따른 상기 격자 간의 간격 변화로 인해 발생되는 반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여, 사용자의 동작 상태를 측정하는 것을 특징으로 하는 모션 캡쳐 장치로서,
    상기 모션 센서는, 상기 파장 스펙트럼의 변화를 통해 신체의 굽힘 각도, 굽힘 방향 및 회전 방향을 산출할 수 있는 각도/방향 검출용 센서를 포함하고, 상기 각도/방향 검출용 센서는 상기 센싱부의 팁의 위치 변화를 측정하여 회전 방향을 산출하는 것을 특징으로 하는 모션 캡쳐 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 각도 검출용 센서의 센싱부는, 일 방향으로의 굽힘 동작만이 가능한 1 자유도 관절에 배치되는 것을 특징으로 하는 모션 캡쳐 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 센싱부는 복수의 격자 노드를 포함하고,
    하나의 격자 노드는 n개의 격자가 서로 동일 간격으로 배치되고,
    각 격자 노드의 격자들 간의 간격은 격자 노드마다 서로 상이하게 형성되는 것을 특징으로 하는 모션 캡쳐 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 몸체는 길이방향에서 보았을 때 사각형 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 모션 캡쳐 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 각도/방향 검출용 센서의 센싱부는, 일 방향으로 굽힘 동작만이 가능한 1 자유도 관절 또는 복수의 방향으로의 굽힘 동작 가능한 다자유도 관절 또는 일 관절을 중심으로 회전 동작 가능한 신체 부위에 배치되는 것을 특징으로 하는 모션 캡쳐 장치.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 각도/방향 검출용 센서는, 복수의 FBG 센서를 포함하고,
    상기 복수의 FBG 센서의 길이방향 중심축은 상기 몸체의 길이 방향 중심축과 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 모션 캡쳐 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 각도/방향 검출용 센서는,
    상기 몸체의 길이 방향 중심축에 대해 120도의 등 간격을 이루는 세 개의 FBG 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 모션 캡쳐 장치.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 센싱부는 격자가 n개(n≥2, 자연수)씩 짝을 이루어 배치되는 복수의 격자 노드를 포함하고,
    하나의 격자 노드는 n개의 격자가 서로 동일 간격으로 배치되고,
    각 격자 노드의 격자들 간의 간격은 격자 노드마다 서로 상이하게 형성되는 것을 특징으로 하는 모션 캡쳐 장치.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 각도/방향 검출용 센서는 관절과 관절 사이의 신체 부위를 휘감도록 연장되고,
    상기 각도/방향 검출용 센서의 센싱부가 상기 관절과 관절 사이의 신체 부위에 배치되는 것을 특징으로 하는 모션 캡쳐 장치.
  13. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 모션 센서는, 격자들 간의 간격이 상이한 복수의 센싱부를 포함하고,
    상기 복수의 센싱부가 각각 다른 신체 부위에 대응하여 배치되는 것을 특징으로 하는 모션 캡쳐 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 고정구는,
    상기 사용자의 관절을 중심으로 연결되는 마디를 감싸는 밴드를 포함하고,
    센싱부를 중심으로 양 방향으로 연장된 상기 모션 센서의 몸체가 상기 사용자의 관절을 중심으로 연결되는 두 마디에 형성된 두 개의 밴드에 팽팽하게 고정되는 것을 특징으로 하는 모션 캡쳐 장치.
  15. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 고정구는,
    상기 모션 센서가 부착되며, 사용자가 착용 가능한 피복인 것을 특징으로 하는 모션 캡쳐 장치.
  16. 제3항에 있어서,
    상기 고정구는,
    상기 사용자의 신체에 포함된 관절을 중심으로 연결되는 마디를 감싸는 밴드를 포함하고,
    센싱부를 중심으로 양 방향으로 연장된 상기 모션 센서의 몸체가 상기 사용자의 신체에 포함된 관절을 중심으로 연결되는 두 마디에 형성된 두 개의 밴드에 팽팽하게 고정되는 것을 특징으로 하는 모션 캡쳐 장치.
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